Acumuladores: Tipos, funciones y estructuras

I. Principio de funcionamiento del acumulador

En los sistemas hidráulicos, un acumulador es un dispositivo que utiliza el principio de equilibrio de fuerzas para cambiar el volumen de aceite de trabajo, almacenando y liberando así energía hidráulica.

Como se muestra en la figura 1, el acumulador se compone básicamente de cuatro partes: la carcasa, el pistón, gas nitrógeno de alta pureza (o posiblemente un muelle) por encima del pistón, y el aceite de trabajo conectado al sistema por debajo del pistón. El proceso de trabajo puede dividirse en dos etapas: almacenamiento y liberación de energía.

1-Cáscara
2 pistones
3-Gas nitrógeno de gran pureza (o posiblemente un muelle)
4-Aceite de trabajo

1. Etapa de almacenamiento de energía

Como se muestra en la figura 1a, el acumulador se encuentra en un estado de preacumulación de energía, en el que el aceite de trabajo y el gas nitrógeno de gran pureza (o la fuerza del muelle) por encima y por debajo del pistón se encuentran en un estado equilibrado. El gas nitrógeno de alta pureza está en estado de precarga (o el muelle está en estado de precompresión), y el volumen del aceite de trabajo es V₁ .

Cuando la presión del sistema aumenta, la presión del aceite de trabajo también aumenta, empujando el pistón hacia arriba, y el aceite de trabajo del sistema entra en el acumulador (el volumen aumenta a V₂ ) hasta alcanzar un estado de equilibrio, como se muestra en la Figura 1b.

En ese momento, el volumen de aceite de trabajo (V₂ - V₁ ) entra en el acumulador para su almacenamiento. Esta etapa se denomina etapa de almacenamiento de energía. Durante esta etapa, el acumulador almacena una determinada presión y volumen (V₂ - V₁ ) de aceite de trabajo.

2. Etapa de liberación

Cuando el sistema hidráulico realiza operaciones de apertura o cierre, la presión del sistema es inferior a la presión del aceite de trabajo en el acumulador. Bajo la presión del gas (o la fuerza del muelle), el pistón es empujado hacia abajo, y el aceite de trabajo es descargado en el sistema hasta que se alcanza un estado de equilibrio, como se muestra en la figura 1c. Esta etapa se denomina etapa de liberación. Durante esta etapa, parte del aceite de trabajo almacenado en la etapa de almacenamiento de energía se descarga en el sistema.

De lo anterior se desprende que, mientras haya un cambio en la presión del sistema, la presión del aceite de trabajo en el acumulador cambia en consecuencia. De acuerdo con el principio de equilibrio de fuerzas, el pistón se mueve y el volumen del aceite de trabajo cambia en consecuencia. Este almacenamiento y liberación repetidos de energía cumple la finalidad del acumulador.

II. Clasificación de los acumuladores

En sistemas hidráulicos, los acumuladores se dividen generalmente en tipos cargados por gas y cargados por resorte en función de la sustancia que actúa sobre el aceite de trabajo. Cada tipo de acumulador tiene diferentes formas basadas en su estructura. Las clasificaciones específicas son las siguientes:

III. Estructura de los acumuladores típicos

1. Acumulador cargado con gas

El principio de funcionamiento del acumulador cargado con gas consiste en utilizar gas nitrógeno de alta pureza precargado en el acumulador para equilibrarlo con el aceite a presión cargado en el acumulador por la bomba hidráulica. Cuando el sistema necesita aceite, éste se descarga bajo la presión del gas. Los acumuladores cargados con gas se dividen en aislados y de contacto directo.

Acumulador aislado: Un acumulador aislado es un acumulador en el que hay un separador entre el gas y el líquido dentro del acumulador, lo que impide que el gas se mezcle fácilmente con el líquido. Este tipo de acumulador aprovecha eficazmente la compresibilidad del gas, por lo que su uso está muy extendido. Según la forma del separador, se divide a su vez en acumuladores flexibles y no flexibles.

Los acumuladores flexibles, como los de vejiga, se utilizan en sistemas hidráulicos, mientras que los acumuladores no flexibles, como los de pistón y pistón diferencial, son los más utilizados en sistemas hidráulicos.

(1) Acumulador de vejiga

El principio de funcionamiento del acumulador de vejiga se basa en la ley de Boyle, y su estructura típica se muestra en la figura 2.

1-Válvula de inflado
2-Cáscaras
3-Escalera
4-Válvula de seta
5-Conjunto del cuerpo de la válvula
6-Pinza de media caña
7-Tuercas
Junta 8
Anillo 9-O
10-Tuerca de apriete

Antes de utilizarlo, primero se llena la vejiga 3 del acumulador con nitrógeno a una presión predeterminada y, a continuación, se utiliza una bomba hidráulica para llenar el acumulador con aceite. Bajo la acción del aceite a presión, la válvula de seta 4 se empuja para abrirse, y el aceite entra en el acumulador, comprimiendo la vejiga. Cuando la presión en la cámara de gas y la cámara de aceite es igual, la vejiga está en estado de equilibrio, y la presión en el acumulador es la presión de la bomba. Cuando el sistema necesita aceite, la vejiga se expande bajo la acción de la presión del gas, exprimiendo gradualmente el aceite.

Las ventajas de este tipo de acumulador son: la cámara de gas y la cámara de aceite están separadas por una vejiga, lo que garantiza un sellado fiable sin fugas entre ambas; la vejiga tiene poca inercia, es sensible, de estructura compacta, tamaño reducido, peso ligero y fácil mantenimiento, y se suele utilizar en sistemas hidráulicos con acumuladores de vejiga de pequeño volumen para absorber pulsaciones de presión o como amortiguadores. También se utiliza en situaciones de baja potencia y presión de funcionamiento para almacenar energía en sistemas hidráulicos.

La estructura típica de un acumulador de vejiga se muestra en la figura 2a. Consta de una válvula de inflado 1, una carcasa 2, una vejiga 3 y una válvula de seta 4. La carcasa 2 es un recipiente a presión con una abertura en la parte superior para alojar la válvula de inflado 1. La vejiga 3, fabricada en caucho sintético y totalmente cerrada, se presiona contra el vástago de la válvula, formando un espacio sellado.

Una vez introducida la vejiga a través de la abertura situada en el extremo inferior de la carcasa, se fija a la parte superior de la misma mediante una tuerca de apriete 10. El conjunto del cuerpo de la válvula 5 se sujeta mediante un par de abrazaderas semicirculares 6 instaladas en el interior de la abertura de la carcasa, asegurando el hombro del cuerpo de la válvula 5. Se instala en la parte inferior de la carcasa y, con la junta tórica 9 y la junta 8, se aprieta con una tuerca 7.

La función de la válvula de seta 4 en el conjunto del cuerpo de la válvula 5 es evitar que la vejiga se expanda fuera de la carcasa cuando se descarga todo el aceite. Este tipo de acumulador tiene una junta tórica en la abertura del depósito. Cuando la presión interna de la coraza aumenta hasta la presión de rotura, la abertura de la coraza se expande primero, haciendo que la junta tórica se salga, liberando de forma segura la presión del aceite.

Lo anterior describe el acumulador de vejiga con estructura de tipo A. Este tipo de acumulador es inconveniente para la sustitución de la vejiga. Por lo tanto, la parte superior de la carcasa y la vejiga se diseña con una estructura de "tapa abierta", como se muestra en la figura 2b, denominada acumulador de vejiga de tipo B.

(2) Acumulador de pistón

El acumulador de pistón utiliza un pistón para separar el aceite y el nitrógeno, como se muestra en la figura 3. Las ventajas de este tipo de acumulador son: estructura sencilla y larga vida útil. Sin embargo, el pistón tiene una gran inercia y resistencia a la fricción de sellado, lo que da lugar a una escasa capacidad de respuesta; requiere una gran precisión de mecanizado y es difícil de sellar, por lo que no es adecuado para absorber pulsaciones y choques hidráulicos.

1 pistón
2 cilindros
3-Cilindro de inflado

En los sistemas hidráulicos, esta estructura se utiliza habitualmente para el almacenamiento de energía. En la figura 4 se muestra el acumulador de pistón utilizado habitualmente para el almacenamiento de energía en sistemas hidráulicos.

2. Acumulador de muelle

Este tipo de acumulador utiliza la fuerza de un muelle que actúa sobre el pistón para equilibrar la presión del aceite, almacenando energía de presión. La presión generada por el acumulador depende de la rigidez y la compresión del muelle.

Los tipos más comunes son los muelles de compresión helicoidales y los muelles de disco. En la figura 5 se muestra el acumulador de muelle de compresión helicoidal. Este tipo de acumulador tiene una estructura sencilla y relativamente sensible, y su vida útil depende de la vida útil del muelle.

1-Cáscara
2-Muelles
3 pistones
4-Cámara de aceite
5-Cubierta

Se utiliza para almacenar y amortiguar energía en sistemas de pequeña capacidad, baja presión y baja frecuencia de ciclo, y generalmente no se utiliza en sistemas hidráulicos. En los sistemas hidráulicos se suelen utilizar acumuladores de muelle de disco, como se muestra en la figura 6.

1-Pistón de almacenamiento de energía
Orificio de 2 posiciones
3-Anillo de soporte
4-Vivienda
5-Muelle de disco de apoyo
Juego de muelles de 6 discos

3. Función del acumulador

El acumulador es un dispositivo utilizado para almacenar la energía de presión del fluido hidráulico, que puede liberar esta energía para realizar un trabajo útil cuando sea necesario. Sus principales funciones en un sistema hidráulico son las siguientes:

(1) Almacenar energía hidráulica

El principal uso del acumulador en los mecanismos hidráulicos. Cuando el caudal requerido varía mucho en las distintas fases del ciclo de trabajo de un sistema hidráulico, se suele utilizar un acumulador junto con una bomba más pequeña para formar la fuente de aceite. Si el sistema requiere un caudal pequeño, el acumulador almacena el exceso de caudal de la bomba hidráulica; si el sistema requiere un caudal grande durante un breve periodo, el acumulador libera el fluido hidráulico almacenado para suministrar aceite al sistema junto con la bomba hidráulica.

Además, cuando la bomba hidráulica deja de suministrar aceite al sistema, el acumulador suministra el aceite a presión almacenado al sistema para compensar las fugas del sistema o mantener constante la presión del sistema. También puede utilizarse como fuente de energía de emergencia en caso de fallo de la bomba hidráulica.

(2) Absorber los golpes de ariete y las pulsaciones

El uso secundario del acumulador en los mecanismos hidráulicos. En un sistema hidráulico, el acumulador se utiliza para absorber las presiones de choque generadas por cambios bruscos en la velocidad del flujo de fluido (como cuando una válvula direccional se desplaza repentinamente o la carga de un cilindro hidráulico deja de moverse de repente), reduciendo así el valor máximo de los choques de presión.

La pulsación de flujo de la bomba hidráulica puede causar una velocidad de movimiento de la carga desigual y pulsaciones de presión. Por lo tanto, los sistemas que requieren una velocidad de carga relativamente uniforme deben instalar un acumulador correspondiente a la salida de la bomba para mejorar la estabilidad del funcionamiento del sistema.